Development of a multipurpose biaxial tensile device for in situ structural characterization using synchrotron light

Abstract

The knowledge of materials properties and the elucidation of the mechanical behavior of nanostructured thin films in comparison to their microstructure allows one to optimize the properties for applications in the industrial sector. In this way, it is possible to develop technological applications or enrich devices with new functionalities. The present work is dedicated to design and to manufacture a tensile device able to stretch thin films, demonstrating the influence of traction on the microstructure of these films. The mentioned traction is used to induce structural deformations with changes in the interplanar distances at the atomic scale. This is the initial procedure of a long project which aims to control (due to the magnetocrystalline anisotropy) spin orientation in AFMs once the direction of the magnetic alignment depends strongly on the direction of deformation to which this film is subjected. In this work, thin AFM films are produced (via sputtering deposition) and an equipment is built to study their atomic structure under stress. The mechanical properties (hardly accessible by other approaches) are derived from the microstructural information accessed by the X-ray diffraction technique. Besides it is explored and applied some concepts from precision engineering whose are going to be intensely used on Sirius (the newest Brazilian Synchrotron facility - under construction) sample stages environments.

O conhecimento das propriedades dos materiais e a elucidação do comportamento mecânico de filmes finos nanoestruturados em comparação com a sua microestrutura permite optimizar as propriedades para aplicação no sector industrial. Desta forma, é possível desenvolver aplicações tecnológicas ou enriquecer dispositivos com novas funcionalidades. O presente trabalho é dedicado ao desenho e fabricação de um dispositivo de tração capaz de esticar filmes finos, demonstrando a influência da tração na microestrutura destes filmes. A referida tração é utilizada para induzir deformações estruturais com alterações nas distâncias interplanares à escala atômica. Este é o procedimento inicial para um longo projeto que tem como objetivo controlar (devido a anisotropia magnetocristalina) a orientação de spin em AFMs uma vez que a direção do alinhamento magnético depende fortemente da direção de deformação à qual filmes finos são submetidos. Neste trabalho, são produzidos filmes finos de AFM (via deposição por sputtering) e um equipamento é construído para estudar sua estrutura atômica sob stress. As propriedades mecânicas, dificilmente acessíveis por outras abordagens, são derivadas da informação microestrutural acessada pela técnica de difração de raio-X. Além disso, são explorados conceitos de engenharia de precisão e estabilidade mecânica pensando em requisitos a serem utilizados no Sirius (novo acelerador síncrotron, em construção).